劉云梁，陳光源，杜立彬，劉云龍

（1.山東科技大學(xué)海洋科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266590；2.國家海洋局北海環(huán)境監(jiān)測中心，山東 青島 266033）

投棄式海流流速剖面測量儀（Expendable Current Profiler，XCP）[1-4]是一次性使用的海流剖面觀測儀器，利用其探頭在海水中自由下落的過程，快速獲取海水垂直剖面海流速度，已被廣泛用于海洋科學(xué)調(diào)查、魚情環(huán)境調(diào)查，以及海軍艦船的機動海洋動力環(huán)境觀測中。美國華盛頓大學(xué)應(yīng)用物理實驗室SANFORD T B等[5-6]于1971年提出了海水運動感生電磁場的基本計算公式，并于1978年成功研發(fā)出了第一臺投棄式溫度速度測量儀（Expendable Temperature and Velocity Profiler，XTVP）。目前，XCP相關(guān)技術(shù)被日美兩國壟斷，對非盟友國家開展技術(shù)封鎖，我國無法獲得相關(guān)產(chǎn)品及技術(shù)。我國海洋投棄式設(shè)備的研究最初主要集中在海洋溫度、鹽度、深度測量方面。對于投棄式海流測量研究的大規(guī)模支持開始于2006年，山東省科學(xué)院海洋儀器儀表研究所、國家海洋技術(shù)中心、中國地質(zhì)大學(xué)（北京）、河北工業(yè)大學(xué)和山東科技大學(xué)等均開展了測量原理、結(jié)構(gòu)外形、流速傳感器的相關(guān)研究，形成原理樣機，獲得了初步的探測成果[7-13]。

XCP研制的難點之一在于其測量基于天然地磁場[14-16]，且測量間距極小，從而導(dǎo)致海流感生信號水平極其微弱。為了獲取極低的電磁場感生信號，需要通過XCP探頭在海水中的高速自旋轉(zhuǎn)運動從而實現(xiàn)對微弱信號的調(diào)制和提取。自旋轉(zhuǎn)速度與采集電路的匹配、對噪聲的濾除水平是有效獲取海流信號的關(guān)鍵因素之一。為了測試上述XCP探頭自旋運動對海水中微弱信號的提取水平，本文開展海洋測量探頭水中高速旋轉(zhuǎn)模擬測試系統(tǒng)的研制，在室內(nèi)水槽中模擬XCP探頭在海水中水平方向的高速自旋轉(zhuǎn)運動。針對室內(nèi)水槽模擬測試面臨的實際問題，重點解決環(huán)境磁場干擾，大規(guī)模海流模擬，水中穩(wěn)定高速轉(zhuǎn)動等問題。采用無磁旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)設(shè)計減小電磁干擾，對稱輕巧的設(shè)備安裝方法設(shè)計減小高速旋轉(zhuǎn)下的形變及軸向偏移，模塊化的采集電路及采集預(yù)處理軟件設(shè)計，使研制的測試系統(tǒng)能夠通過模塊的替換應(yīng)用于其他測試設(shè)備，豐富海洋設(shè)備實驗室測試手段。

1 XCP測量原理

XCP基于電磁感生原理，測量探頭在海水中自由下落的過程中，采集海流切割地磁場產(chǎn)生的感生電信號，并通過探頭本身的10～20 Hz的高速自旋運動，實現(xiàn)信號的調(diào)制，再將調(diào)理信號通過無線方式傳送至接收平臺，實現(xiàn)固定或走航情況下的快速流速垂直剖面測量，工作示意圖如圖1所示。圖1中XCP測量探頭存在如藍(lán)色箭頭所示兩個方向的運動：垂直下落和軸向自旋。

圖1 XCP測量工作示意圖

建立如圖1所示坐標(biāo)系，x軸指向東，y軸指向北，z軸豎直向上。當(dāng)海流以速度V沿任意方向水平流動時，切割地磁場磁感線，產(chǎn)生感生電壓。當(dāng)感生電壓的測量方向與y軸存在一個夾角（測量方位角θ）時，水平放置的距離為L的兩個海流傳感器之間探測到的海流感生電動勢如下。

式中，VE、VN分別為海流速度的東向分量和北向分量；Fz為地磁場的垂直分量。

投棄式海流剖面測量以天然地磁場作為場源，感生電場規(guī)模及電壓大小與海流尺度及速度相關(guān)。由于天然地磁場幅值水平較低，在海面上約為幾個納特，且隨著海水的深度增加，電磁波被海水層大幅衰減，進而導(dǎo)致感生電場水平也逐漸變小。根據(jù)公式（1）可推算得知，中低緯度地區(qū)，速度為1.5 cm/s的海流，產(chǎn)生感生電場量值約為幾個uV/m。XCP中的海流傳感器布設(shè)在測量探頭同一高度橫截面的兩端，測量間距為幾十厘米。針對1.5 cm/s的測量精度，XCP需能夠采集低至nV水平的感生電場信號（約為50 nV/Hz-1）。圖1中所示探頭水平方向的旋轉(zhuǎn)運動是實現(xiàn)nV信號測量的重要方法之一，也是本文模擬系統(tǒng)研制的主要目標(biāo)。

2 旋轉(zhuǎn)測試系統(tǒng)設(shè)計

2.1 總體架構(gòu)

基于地磁場的海流探測設(shè)備的工作方式與其他原理的流速測量的顯著區(qū)別在于需要在探頭下落過程中伴隨自身的高速旋轉(zhuǎn)（即如圖1藍(lán)色箭頭所示的兩個方向的運動）。為了模擬XCP測量探頭在海水中高速自旋轉(zhuǎn)的測量環(huán)境，本文設(shè)計了一種可用于室內(nèi)流速水槽的低噪聲旋轉(zhuǎn)測試系統(tǒng)，用于分析驗證所研制的XCP測量探頭的自旋運動對信號采集的有效性。

本文設(shè)計的測試系統(tǒng)包括高速自旋結(jié)構(gòu)、實時采集硬件電路模塊、預(yù)處理存儲軟件模塊3個主要部分。高速自旋結(jié)構(gòu)是本文設(shè)計的主體結(jié)構(gòu)，通過無磁旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)設(shè)計，重點解決動力系統(tǒng)噪聲屏蔽、高速自旋、水中旋轉(zhuǎn)姿態(tài)穩(wěn)定等問題。實時采集硬件電路模塊通過多級放大濾波，實現(xiàn)采集信號的實時采集和預(yù)處理。預(yù)處理存儲軟件模塊用于采集數(shù)據(jù)的預(yù)處理和存儲，實現(xiàn)測試系統(tǒng)數(shù)據(jù)的直觀顯示。自旋模塊是完成硬件采集和軟件顯示的前提，硬件采集和軟件顯示是自旋模塊的最終表現(xiàn)和反饋手段。通過三者相互配合，實現(xiàn)探頭水中高速自旋轉(zhuǎn)情況下的海流電磁感生信號采集測試。根據(jù)XCP探頭測試需求，該裝置主要實現(xiàn)功能包括：轉(zhuǎn)動速度為13 Hz、14 Hz、15 Hz、16 Hz、17 Hz、18 Hz共6檔可調(diào)；屏蔽50 Hz為主的工頻干擾；實現(xiàn)nV水平海流感生電場信號的實時采集等。

在室內(nèi)水槽實驗中，旋轉(zhuǎn)測試系統(tǒng)受到海水多方向力的影響，實際的自旋轉(zhuǎn)速度是否能夠達(dá)到預(yù)設(shè)、與濾波電路中心頻率的匹配程度、自旋過程中是否出現(xiàn)軸向偏轉(zhuǎn)誤差等是在系統(tǒng)設(shè)計及實際實驗中重點要解決的問題。

2.2 高速自旋結(jié)構(gòu)設(shè)計

對比空氣中的旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，在水中的高速旋轉(zhuǎn)模擬結(jié)構(gòu)設(shè)計中，除了滿足上述實驗?zāi)康暮托枨笸?，還需考慮外部動力結(jié)構(gòu)對測量環(huán)境的電磁噪聲影響，水中實際旋轉(zhuǎn)過程中對探頭周圍流場的擾動，以及測試水槽的邊壁效應(yīng)等問題。

為此，本文設(shè)計專門用于海水中高速自旋轉(zhuǎn)測試結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖2所示。該自旋測試結(jié)構(gòu)主要包括：①動力結(jié)構(gòu)：用于帶動測試結(jié)構(gòu)主體旋轉(zhuǎn)，模擬XCP探頭在海水中的自旋轉(zhuǎn)；②旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)：用于固定測試探頭及流速傳感器，減小高速旋轉(zhuǎn)中出現(xiàn)的軸向偏移，并在旋轉(zhuǎn)測試過程中減小對傳感器周圍流場的干擾；③固定支撐結(jié)構(gòu)：安裝在實驗流速水槽頂部，用于將動力結(jié)構(gòu)和旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)固定，并保證流速傳感器置于流速水槽中深度可調(diào)。

圖2 旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)設(shè)計圖

2.2.1 主體旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)設(shè)計

測試系統(tǒng)的主體結(jié)構(gòu)為帶動測量探頭旋轉(zhuǎn)的圓筒形結(jié)構(gòu)，用于固定探頭，起連接動力結(jié)構(gòu)的作用。為了減小旋轉(zhuǎn)過程中海水的阻力及因旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的流場擾動，主體旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)為空心圓柱形設(shè)計，圓柱內(nèi)徑10 cm，整體結(jié)構(gòu)重量約2 kg。將整個旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)及測試探頭的質(zhì)點選在半徑1/2位置的圓柱面上，根據(jù)轉(zhuǎn)速與離心力關(guān)系（式（2）），可求得平均離心力大小約為274 N。其中，RCF為相對離心力，單位g；N為轉(zhuǎn)速，單位r/min；R為離心半徑，單位cm。

同時，為了避免金屬材料對探頭主體產(chǎn)生電磁干擾，整體采用ABS（Acrylonitrile Butadiene Styrene plastic）進行代替材料制作。實際測試時，將探頭的首端固定在旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)支撐筒頂部，探頭主體置于支撐筒內(nèi)。探頭中部通過輔助結(jié)構(gòu)與旋轉(zhuǎn)圓筒固定，通過調(diào)節(jié)輔助固定結(jié)構(gòu)調(diào)整探頭固定的松緊程度。探頭尾部置有流速傳感器，整體暴露在待測海水中。

2.2.2 動力結(jié)構(gòu)參數(shù)選擇

選用小型直流電機及減速機作為旋轉(zhuǎn)測試裝置的動力結(jié)構(gòu)，用來帶動測試探頭在室內(nèi)水池中以不低于1 000 r/min的速度旋轉(zhuǎn)。為了減少電磁干擾影響，旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)采用非金屬材料，為保證這兩部分的良好連接并避免轉(zhuǎn)動偏角，選擇剛性聯(lián)軸器作為動力傳輸部件，能夠較好地補償由于高速運轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的相對位移。

用于室內(nèi)水槽實驗的XCP測量探頭僅包含信號采集艙體（包括傳感器和電路板），未安裝探頭配重及千米級數(shù)據(jù)傳輸導(dǎo)線，故總重量不超過3 kg。由于旋轉(zhuǎn)裝置為圓筒形結(jié)構(gòu)，海水對圓筒整體的力之和為0。根據(jù)受力、力臂與力矩、功率的關(guān)系，可確定直流電機參數(shù)。

式中，F(xiàn)為受力，單位N；D為力臂，單位m；T為扭矩，單位N·m；P為輸出功率，單位kW；N為轉(zhuǎn)速，單位r/min。

合適的電機軸套桿長度能夠進一步保證主體旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定、無偏轉(zhuǎn)動，根據(jù)式（4）可計算所需電機軸的套桿長度。

式中，P為直流電機的額定功率；K為鍵槽系數(shù)；A為指定系數(shù)；η表示從電機到輸出軸之間的傳動效率的乘積；Nj為輸出軸的計算轉(zhuǎn)速。

2.3 信號采集模塊設(shè)計

為了使本文所研制的海洋旋轉(zhuǎn)模擬測試系統(tǒng)能夠應(yīng)用于不同設(shè)備的測試，設(shè)計專門的信號采集模塊對傳感器信號進行實時采集和預(yù)處理。信號采集模塊置于實驗水槽外部，通過導(dǎo)電滑環(huán)與旋轉(zhuǎn)測試結(jié)構(gòu)上的傳感器進行連接，從而避免高速自旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致數(shù)據(jù)線纏繞。

由XCP測量原理可知，海流切割地磁場產(chǎn)生的感生海流信號較小，測量間距小于1 m的情況下，厘米級海流產(chǎn)生感生電場信號為納伏級水平。為了有效獲取海流感生信號，對原始信號采取兩級放大設(shè)計，并根據(jù)測試裝置旋轉(zhuǎn)頻率，進行鎖相放大，提高采集精度。信號采集處理流程如圖3所示。

圖3 信號采集模塊原理圖

原始的海流感生信號在探頭的高速自旋轉(zhuǎn)運動下被調(diào)制為交流信號，并頻移超低噪聲頻段。以有效信號頻率為中心頻率，對采集信號進行帶通濾波，初步濾除噪聲干擾。通過電路產(chǎn)生參考信號，對目標(biāo)頻率的有效信號進行鎖相放大，放大倍數(shù)250倍。然后對信號進行次級濾波，并進一步放大2 500倍。從而實現(xiàn)nV海流信號采集。

2.4 軟件數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊

海流傳感器測得海流感生電場信號通過數(shù)據(jù)線經(jīng)導(dǎo)電滑環(huán)傳送至水面的數(shù)據(jù)采集模塊進行濾波放大，然后通過串口或USB方式傳送至上位機進行處理、顯示、存儲。本文基于Matlab軟件編寫數(shù)據(jù)預(yù)處理程序，實現(xiàn)測量數(shù)據(jù)的實時顯示、分析及存儲。采集程序編寫流程如圖4。測試系統(tǒng)硬件組裝完成后，硬件系統(tǒng)通電，旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)帶動探頭在水中開始高速旋轉(zhuǎn)。上位機采集控制軟件發(fā)送檢測指令，檢測電路連接是否正常，若檢測不通過，則結(jié)束采集流程，關(guān)閉硬件電源，進行電路檢測，排查是否出現(xiàn)接線端密封不嚴(yán)等問題，避免電路燒毀。若檢測通過，則繼續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)采集指令，上位機開始接收、存儲并顯示傳感器采集到的電信號。采集完成后，可通過采集軟件選擇是否對電信號進行預(yù)處理，若不需要進行預(yù)處理，則結(jié)束采集流程。若選擇進行預(yù)處理，則調(diào)用外部數(shù)據(jù)處理程序，實現(xiàn)電信號轉(zhuǎn)為測試物理量的預(yù)處理。

圖4 預(yù)處理存儲軟件流程圖

針對不同的測試對象，此處可調(diào)用不同的數(shù)據(jù)處理程序段。對于本文的海流測試，則調(diào)用預(yù)先編寫好的電信號轉(zhuǎn)換為海流數(shù)據(jù)的程序。經(jīng)預(yù)處理后的數(shù)據(jù)，可通過上位機軟件進行曲線的顯示，預(yù)處理后數(shù)據(jù)的存儲等功能。

3 旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)對流場影響水槽試驗

為了測試本旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)的有效性，本文于2021年8月在國家海洋局北海環(huán)境監(jiān)測中心開展水動力大尺度流速環(huán)境下，開展XCP探頭旋轉(zhuǎn)模擬測試試驗。該中心的渤海生態(tài)預(yù)警與保護修復(fù)重點實驗室建有大型水動力波浪流模擬水槽，占地面積約125 m2，水槽長32.0 m，內(nèi)寬0.8 m，內(nèi)深2 m，最大工作水深1.5 m，工作介質(zhì)可使用海水。1.5 m工作水深時可產(chǎn)生0.1 m/s內(nèi)可調(diào)的勻速、平穩(wěn)流場，能夠滿足本實驗需求。在本實驗中，采用Nortek Vectrino Profiler聲學(xué)多普勒定點流速儀作為比測設(shè)備，用于測量旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)運行時對周圍水流速度的影響，以及在旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)輔助下XCP的流速測量效果分析。為了便于對比分析，本文直接采用經(jīng)硬件采集模塊及軟件處理模塊處理的流速數(shù)據(jù)，討論對處理后的流速數(shù)據(jù)的影響。實驗設(shè)備具體布設(shè)情況如圖5所示。

圖5 旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)水槽實驗圖

3.1 旋轉(zhuǎn)測試系統(tǒng)轉(zhuǎn)速特性試驗

實際XCP在海試過程中的旋轉(zhuǎn)采集頻率為10～20 Hz，據(jù)此，在實驗過程中對不同的電機轉(zhuǎn)速進行了測試。通過電機控制器改變直流電機速度，然后軟件模塊記錄實際XCP旋轉(zhuǎn)頻率，測試結(jié)果如表1所示。轉(zhuǎn)速特性較好，相對誤差隨轉(zhuǎn)速增大而減小，最大誤差出現(xiàn)在15 Hz，轉(zhuǎn)速平均誤差為0.27%。

表1 旋轉(zhuǎn)測試系統(tǒng)轉(zhuǎn)速特性

3.2 旋轉(zhuǎn)測試系統(tǒng)輔助XCP流速測量試驗

為了研究旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)在海水中運動時，對測點附近流場的影響情況，首先設(shè)計海流速度為0 cm/s情況下的流速比測實驗。將ADV與旋轉(zhuǎn)測試系統(tǒng)在水槽中等高度，間隔1 m布設(shè)（圖5）。在水中旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)16 r/s運行及停止情況下，采集聲學(xué)流速儀記錄的水流平均變化（水溫22.07℃，采樣率20 Hz，采樣點2 535個），并計算流速標(biāo)準(zhǔn)偏差，如表2所示。由測試結(jié)果可知，水中旋轉(zhuǎn)測試系統(tǒng)的運行對海水垂直方向速度（Vz）影響明顯，最大標(biāo)準(zhǔn)偏差約為0.022 cm/s。對水平方向流速（Vx、Vy）影響較小，最大相對誤差約為0.01 cm/s。針對XCP水平方向1.5 cm/s的測量精度要求，該旋轉(zhuǎn)測試系統(tǒng)對水平方向流速影響不超過XCP流速測量精度要求的1.4%，可以滿足XCP室內(nèi)測試需求。

表2 旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)對流速影響數(shù)據(jù)分析

為了進一步研究利用旋轉(zhuǎn)測試系統(tǒng)開展XCP流速測量的有效性，在流速水槽不同造流檔位下（以造流發(fā)電機工作電流強度分檔：8 A、9 A、10 A、11 A、13 A），開展ADV與旋轉(zhuǎn)測試系統(tǒng)輔助下的XCP流速測量對比測試。由于造流水槽的造流精度有限，且兩種測試設(shè)備對海流采集的基本原理不同，精度及誤差來源也有所區(qū)別，因此重點對兩種設(shè)備采集流速參數(shù)進行趨勢比較，開展定性分析。如圖6所示，ADV與旋轉(zhuǎn)測試系統(tǒng)輔助下的XCP采集的流速數(shù)據(jù)曲線整體變化趨勢一致，聲學(xué)法測得流速值整體略高于電磁法，可能是由于水槽金屬鋼筋骨架及造流發(fā)電機對地磁場產(chǎn)生輕微干擾導(dǎo)致。最大流速誤差出現(xiàn)在造流電機9檔速度位置，速度偏差0.052 1 cm/s。對于1.5 cm/s的XCP測量精度，該偏差約為總精度的3.5%，可滿足室內(nèi)XCP測試需求。

圖6 ADV與XCP（組合旋轉(zhuǎn)測試系統(tǒng)）旋轉(zhuǎn)流速對比

4 結(jié) 論

根據(jù)海洋電磁流速剖面測量技術(shù)的實際測試需求，本文設(shè)計出一種可用于室內(nèi)流速水槽的低噪聲旋轉(zhuǎn)測試裝置，配合上位機數(shù)據(jù)采集處理程序?qū)崿F(xiàn)旋轉(zhuǎn)探頭感生信號采集實驗。通過室內(nèi)流速水槽試驗證明，該測試系統(tǒng)能夠有效模擬XCP探頭海水中的高速自旋轉(zhuǎn)過程，整體結(jié)構(gòu)對水流流場分布影響及電磁干擾程度較小，并可應(yīng)用于其他同類型測量設(shè)備的模擬測試中，得出主要研究結(jié)論如下。

（1）本文設(shè)計的水中旋轉(zhuǎn)測試系統(tǒng)充分考慮了海洋環(huán)境測試的需求和特點，其機械結(jié)構(gòu)部分以低磁場干擾及小軸向偏轉(zhuǎn)研究為核心，通過旋轉(zhuǎn)測試結(jié)構(gòu)離心力分析，材料、部件、結(jié)構(gòu)外形設(shè)計，減少磁性材料和活性連接結(jié)構(gòu)使用，保證在高速旋轉(zhuǎn)情況下，探頭對海流電場信號的有效測量。

（2）在軟件設(shè)計部分，采用模塊化數(shù)據(jù)采集預(yù)處理設(shè)計，可根據(jù)實際測試對象需要對采集除了軟件進行替換修改。通過與水中旋轉(zhuǎn)機械結(jié)構(gòu)的對接，實現(xiàn)多種海水采集設(shè)備的旋轉(zhuǎn)測試，使該測試系統(tǒng)具有更廣泛的適用性。

（3）該旋轉(zhuǎn)測試系統(tǒng)已在北海監(jiān)測中心的流速水池中完成了為期一個月的實際測試，測試介質(zhì)為海水。測試結(jié)果表明，該測試結(jié)構(gòu)機械轉(zhuǎn)動部分相對于探頭自旋轉(zhuǎn)的情況，其對于靜態(tài)水流測試的影響在水平方向上不超過0.022 cm/s，該誤差不超過XCP流速測量精度要求的1.4%，可以滿足XCP室內(nèi)測試的需求。

在后續(xù)的研究中，需進一步改進結(jié)構(gòu)設(shè)計，增加橫向拖曳功能，模擬探頭軸向運動及旋轉(zhuǎn)同時存在情況下，探頭數(shù)據(jù)采集情況，使室內(nèi)水槽測試更加接近真實海洋探測情況。